引用本文：閆龍, 韓冰, 趙項(xiàng)杰, 等.MicroLED全彩色微顯示技術(shù)研究進(jìn)展[J].南通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2024,23(3):1-9.

Doi: 10.12194/j.ntu.20240327001

研究背景

隨著可穿戴器件、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、混合現(xiàn)實(shí)等新型顯示產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用和普及，新型顯示技術(shù)在微小器件尺寸、高分辨率、高穩(wěn)定性等性能方面又提出了更高的性能需求。基于微型發(fā)光二極管(Micro-light-emiting-diode, MicroLED)的微型顯示器件具有低功耗、高穩(wěn)定、長(zhǎng)壽命和響應(yīng)時(shí)間短等突出特征，其相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品近年來(lái)已被廣泛應(yīng)用于VR/AR眼鏡、微投影設(shè)備等。然而，目前MicroLED的全彩化問(wèn)題是制約其進(jìn)行商業(yè)化推廣的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)之一。本文綜述了實(shí)現(xiàn)MicroLED全彩色微顯示屏的主流色轉(zhuǎn)化技術(shù)方案，并梳理了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外在AR/MR等終端應(yīng)用中MicroLED全彩色微顯示的代表性進(jìn)展。

色轉(zhuǎn)換技術(shù)是一種不通過(guò)器件轉(zhuǎn)移過(guò)程,即通過(guò)原位單片集成技術(shù)實(shí)現(xiàn)MicroLED全彩色微顯示的技術(shù)方法。其技術(shù)方案主要是使用紫外光或藍(lán)光MicroLED晶圓作為顯示陣列光源，將彩色熒光粉量子點(diǎn)或其他微納米結(jié)構(gòu)加工制備在MicroLED藍(lán)/紫光光源上，利用光致熒光發(fā)光實(shí)現(xiàn)藍(lán)光一紅光、藍(lán)光一綠光等發(fā)光顏色轉(zhuǎn)換,從而實(shí)現(xiàn)RGB三色高密度集成的陣列發(fā)光器件。按照實(shí)現(xiàn)色轉(zhuǎn)換的方式可將色轉(zhuǎn)換技術(shù)分為熒光粉、量子點(diǎn)、超表面三條技術(shù)路線。

熒光粉具有高熱穩(wěn)定性、高化學(xué)穩(wěn)定性(耐濕性)和穩(wěn)定的量子產(chǎn)率特點(diǎn)，通過(guò)在發(fā)光層上設(shè)計(jì)和制備可旋轉(zhuǎn)的濾色器結(jié)構(gòu)是早期實(shí)現(xiàn)全彩色顯示的技術(shù)方案之一，該方法只需制備相應(yīng)的RGB像元濾色器，制備簡(jiǎn)單、成本低。然而，隨著MicroLED像元尺寸逐漸降低至10 μm以下，對(duì)色轉(zhuǎn)換材料的顆粒尺寸、光量子效率提出了更高的要求。但納米尺寸的熒光粉往往會(huì)存在熒光淬滅現(xiàn)象，無(wú)法解決MicroLED高密度集成、高亮度發(fā)光、高光效轉(zhuǎn)化等問(wèn)題。

量子點(diǎn)是一類低維半導(dǎo)體材料，具有優(yōu)異的光致熒光產(chǎn)率，通過(guò)調(diào)節(jié)量子點(diǎn)的尺寸就可以控制其發(fā)光顏色。此外，它還具有寬吸收、窄發(fā)射、發(fā)光可調(diào)諧等優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)。2023年，湖南大學(xué)李梓維課題組研制了量子點(diǎn)光刻膠，結(jié)合芯片界面硅烷耦合劑預(yù)處理工藝，利用光刻工藝成功制備了9.91 mm (0.39英寸)的MicroLED全彩色微顯示器。這一方法充分發(fā)揮了傳統(tǒng)光刻技術(shù)和共價(jià)鍵鍵合技術(shù)協(xié)同效應(yīng)，該器件突破了5 mm以下微小像元的高密度集成難題，為高效制備MicroLED全彩色器件提供了可行途徑。

超表面是一種人造納米結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)周期規(guī)律排列后形成的光學(xué)結(jié)構(gòu)層，通過(guò)納米結(jié)構(gòu)與遠(yuǎn)場(chǎng)光的自旋軌道耦合效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)入射波在亞波長(zhǎng)尺度上的振幅、偏振和相位調(diào)制，將其設(shè)計(jì)和制備在MicroLED陣列表面可以實(shí)現(xiàn)顏色轉(zhuǎn)化，并且可以同時(shí)對(duì)器件的發(fā)光角和偏振等特性實(shí)現(xiàn)可控調(diào)制。這種技術(shù)可以總結(jié)為微納光學(xué)結(jié)構(gòu)耦合實(shí)現(xiàn)了MicroLED光發(fā)射信息的空間光場(chǎng)調(diào)制。

在器件應(yīng)用上，MicroLED顯示擁有更快的響應(yīng)速度、更大的可視角、更寬的顯示色域、超高的發(fā)光亮度和更長(zhǎng)的器件使用壽命。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，國(guó)內(nèi)外企業(yè)不斷加大對(duì)MicroLED的研發(fā)投入，近年來(lái)該技術(shù)已取得諸多創(chuàng)新成果。芯元基攻克了像素間距7.5 mm MicroLED芯片的陣列鍵合工藝，實(shí)現(xiàn)了9.91 mm (0.39英寸)單色MicroLED微顯示屏。JBD開(kāi)發(fā)AIGalnP紅光MicroLED，突破了100萬(wàn)nit大關(guān)，刷新業(yè)界記錄。諾視科技報(bào)道了先鍵合后刻蝕的垂直堆疊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)3 mm (0.12英寸)MicroLED全彩色動(dòng)態(tài)圖像顯示，最小像元為1.5 mm。但是如今受制于芯片良率、巨量轉(zhuǎn)移等因素，MicroLED的制造成本仍然居高不下，未來(lái)仍需進(jìn)一步的技術(shù)突破以實(shí)現(xiàn)“提效降本”。

總的來(lái)說(shuō)，本文對(duì)MicroLED全彩化顯示技術(shù)所使用的色轉(zhuǎn)換技術(shù)進(jìn)行了分類總結(jié)，進(jìn)一步對(duì)比分析了相關(guān)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，探討了相關(guān)技術(shù)在推動(dòng)新型顯示產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要意義?？梢灶A(yù)見(jiàn)，MicroLED技術(shù)將在未來(lái)顯示行業(yè)中發(fā)揮關(guān)鍵作用,為用戶帶來(lái)更加卓越的視覺(jué)體驗(yàn)，并推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，成為下一代顯示技術(shù)的主流選擇。

 部分圖表

圖1 熒光粉色轉(zhuǎn)換MicroLED顯示器的結(jié)構(gòu)示意圖（圖片來(lái)自于文中參考文獻(xiàn)[7]）

圖2 基于光刻技術(shù)的全彩MicroLED示意圖

圖3 超表面控制LED發(fā)光示意圖（圖片來(lái)自于文中參考文獻(xiàn)[20]）

圖4 MicroLED微顯示器件研發(fā)進(jìn)展

 李梓維 | Li Ziwei教授，博士生導(dǎo)師

李梓維，湖南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授，博士，博士生導(dǎo)師，現(xiàn)擔(dān)任信息功能材料系系主任、湖南光電集成創(chuàng)新研究院副院長(zhǎng)，從事低維半導(dǎo)體、新型光電器件研究。曾榮獲教育部高等學(xué)?？茖W(xué)研究?jī)?yōu)秀成果（科學(xué)技術(shù)）二等獎(jiǎng)、科技部顛覆性技術(shù)大賽全國(guó)優(yōu)勝獎(jiǎng)、中國(guó)材料研究學(xué)會(huì)新材料創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型青年學(xué)者、湖南省湖湘青年科技人才、北京大學(xué)學(xué)生五四獎(jiǎng)?wù)?、湖南大學(xué)優(yōu)秀教師新人獎(jiǎng)等獎(jiǎng)勵(lì)和榮譽(yù)。

作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人或子任務(wù)負(fù)責(zé)人主持了科技部“納米前沿”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃、面上項(xiàng)目及青年基金，湖南省自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金，中國(guó)高校產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新基金等10余項(xiàng)科研項(xiàng)目。發(fā)展了鈣鈦礦量子點(diǎn)的高穩(wěn)定、低成本制造技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)了基于量子點(diǎn)光刻工藝集成的MicroLED全彩色微顯示屏，顯示屏發(fā)光亮度超過(guò)百萬(wàn)nit，創(chuàng)造了行業(yè)記錄，支撐軍民兩用可穿戴微顯示裝備的國(guó)產(chǎn)化發(fā)展，相關(guān)專利技術(shù)已完成成果轉(zhuǎn)化，孵化了科技創(chuàng)新公司；提出了手性金屬納米結(jié)構(gòu)增強(qiáng)低維半導(dǎo)體光與物質(zhì)相互作用機(jī)制理念，較早地實(shí)現(xiàn)了偏振響應(yīng)的被動(dòng)發(fā)光顯示器件和有源光電探測(cè)器，相關(guān)技術(shù)支撐了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、基金委重大項(xiàng)目的論證。

擔(dān)任Frontiers of Physics、《湖南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）》青年編委，湖南省工信廳和科技廳新型顯示產(chǎn)業(yè)鏈圖譜專家，國(guó)家級(jí)人才項(xiàng)目會(huì)評(píng)專家，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃評(píng)審專家，國(guó)家級(jí)和省部級(jí)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目評(píng)審專家，在Adv. Mater.、Adv. Sci.、ACS Nano、Innovation等SCI國(guó)際期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文50余篇，申請(qǐng)發(fā)明專利20項(xiàng)，授權(quán)10項(xiàng)。

 （來(lái)源： 南通大學(xué)學(xué)報(bào)自然科學(xué)版 ）